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生态系统之结构及其调节

已有 1404 次阅读 2019-8-16 20:21 |个人分类:自然之旅|系统分类:科普集锦


1. 系统(System)

相互作用、相互依赖的事物有规律地联合的集合体。

许多成分组成。

各成分间相互联系、相互作用。

独立的、特定的功能。

2. 生态系统(Ecosystem)

在一定空间中共同栖居着的所有生物(生物群落,Biocommunity)与其环境之间由于不断进行物质循环(Material cycle)、能量流动(Energy flow)、信息传递(Information transfer)过程而形成的统一整体。

3. 生态系统的特征

生态学的一个主要结构和功能单位,生态学研究的最高层次。

能量流动(Energy flow)、物质循环(Materialcycle)和信息传递(Information transfer)是生态系统的三大功能。

生态系统中营养级(Trophic level)的数目受限于生产者(Producer)所固定的最大能值和这些能量在流动中巨大损失。因此,生态系统中营养级不会超过5–6个。

生态系统是一个动态系统(Dynamic system)。

生态系统内部具有自我调节能力。

4. 目前生态系统研究的热点

(1)自然生态系统的保护和利用

和谐、高效和健康是自然生态系统有的共同特点。

自然生态系统中具有较高的物种多样性(Species diversity)和群落稳定性。

健康的生态系统比退化的更有价值,具有较高的生产力,能满足人类物质的需求,还给人类提供生存的优良环境。

研究自然生态系统的形成和发展过程、合理性机制、以及人类活动对自然生态系统的影响,对于有效利用和保护自然生态系统均有较大的意义。


(2)生态系统调控机制的研究

生态系统是一个自我调控的系统。

自然、半自然和人工等不同类型生态系统自我调控的阈值(Threshold)。

自然和人类活动引起局部和全球环境变化带来的一系列生态效应。

生物多样性(Biological diversity)、群落和生态系统与外部限制因素间的作用效应及其机制。

(3)生态系统退化的机制、恢复及其修复研究

在人为干扰和其他因素的影响下,有大量的生态系统处于不良状态,承载着超负荷的人口和环境负担、水资源枯竭、荒漠化和水土流失在加重等,脆弱、低效和衰退已成为这一类生态系统的明显特征。

由于人类活动而造成逆向演替(Regressive succession)或对生态系统结构、重要生物资源退化机理及其恢复途径。

防止人类与环境关系的失调。

自然资源的综合利用以及污染物的处理。

(4)全球性生态问题的研究

近几十年来,许多全球性的生态问题严重威胁着人类的生存和发展,要靠全球人类共同努力才能解决的问题,如臭氧层(Ozonosphere)破坏、温室效应(Greenhouseeffect)、全球变化(Global change)等。

全球变化对生物多样性和生态系统的影响及其反应。

敏感地带和生态系统对气候变化的反应。

气候与生态系统相互作用的模拟。

建立全球全球变化的生态系统发展模型

提出全球变化中应采取的对策和措施等。


(5)生态系统可持续发展的研究

过去以破坏环境为代价来发展经济的道路使人类社会走入死角,人类要摆脱这种困境须从根本上改变人与自然的关系,将经济发展和环境保护协调一致,建立可持续发展的生态系统。

生态系统资源的分类、配置、替代及其自我维持模型。

发展生态工程和高新技术的农业工厂化。

探索自然资源的利用途径,不断增加全球物质的现存量。

研究生态系统科学管理的原理和方法,把生态设计和生态规划结合起来。

加强生态系统管理、保持生态系统健康和维持生态系统服务功能。


1. 生态系统的组成成分

生态系统的基本组成:

2. 非生物环境(Abioticenvironment)

无机物质(Inorganic matter)

有机物质(Organic matter)

气候因素(及其他物理条件)

3. 生物群落(Biocenosis)

(1)生产者(Producer)

为自养生物,主要是各种绿色植物,也包括蓝绿藻及一些能进行光合作用(Photosynthesis)的细菌。

(2)消费者(Consumer)

为异养生物,主要指以其他生物为食的各种动物,包括植食动物(一级消费者,Primaryconsumer)、肉食动物(二级消费者,Secondary consumer)、顶极食肉动物三级消费者(Tertiaryconsumer)、寄生动物等。

消费者除了动物外,还有一些营异养生活的植物。部分异养型植物如食虫植物、某些寄生植物(槲寄生、桑寄生等)。典型的异养型植物主要是一些寄生植物,如菟丝子等。

(3)分解者(Decomposer)

为异养生物,将复杂的有机物分解成简单无机物,包括细菌、真菌、放线菌、部分动物(如蚯蚓、螨虫、蠕虫、蜣螂、白蚁)等。

蜣螂的故事:

澳洲大陆距今1.4亿年前就与其他陆地隔离,当地繁殖的最大兽类是有袋类的大袋鼠。移民于1788年运去了第一批5头奶牛和2头公牛,到19世纪末牛已超过4500万头。若以每头牛一昼夜排便10次计算,每天就有4.5亿堆又大又湿的牛粪。而当地的金龟子主要取食干硬的袋鼠粪,而对软而湿的牛粪不感兴趣。由于当地缺乏分解牛粪的生物,牛粪在草原上风干硬化,几年内都难以分解,日积月积,牛粪数量惊人。牛粪覆盖并破坏大面积草原,形成草原上的一块块秃斑。每年被毁的牧场竟达3600万亩。

澳大利亚学者M.H. Wallace (1978)指出“澳大利亚的牛多,牛粪更多,牛屎多到铺天盖地,如果不到世界各地引种食粪金龟子处理,澳大利亚就将淹没在牛屎堆里。”。为此,60年代澳大利亚从中国等地引入了羚羊粪蜣(Onthophagus gazella)和神农蜣螂(Catharsius molossus)等异地金龟。

据实验证明:两头金龟子一前一后,能将100 g牛粪在30–40 h内滚成球、埋入土层里,以备子代食用。由于牛粪中的蝇卵需96 h才孵化为幼虫,所以牛粪埋入地下蝇类无法孵化。因此,金龟子不仅消除了牛粪,又破坏了蝇类滋生的条件。于是,喜欢推粪球的中国蜣螂在异国他乡成了英雄!

3. 非生物环境与生物群落之间的相互关系

1. 食物链(Foodchain)

生产者所固定的能量和物质,通过一系列取食和被食的关系在生态系统中传递,各种生物按其食物关系排列的链状顺序,如“螳螂捕蝉,黄雀在后”。

2. 食物网(Foodchain)

一种生物常常以多种食物为食,而同一种食物又常常为多种消费者取食,于是食物链交错起来,多条食物链相联,形成了网状结构。

食物网不仅维持着生态系统的相对平衡,并推动着生物的进化,成为自然界发展演变的动力。

食物网以营养为纽带,把生物与环境、生物与生物紧密联系起来的结构,称为生态系统的营养结构,即反映了生态系统中各生物有机体之间的营养位置和相互关系。

各生物成分间通过食物网发生直接和间接的联系,保持着生态系统结构和功能的稳定性。

食物网还揭示了环境中有毒污染物或难分解有机物转移、积累的规律,即生物富集(Biologicalenrichment)作用或生物放大(Biological magnification)作用,且营养级越高积累剂量越大。

3. 食物链类型

(1)捕食食物链(Grazingfood chain)

以绿色植物为起点到食草动物进而到食肉动物的食物链,如草原上:青草→野兔→狐狸→狼,湖泊中:藻类→甲壳类→小鱼→大鱼。

(2)碎屑食物链(Detritalfood chain)

动、植物的遗体被食腐性生物(小型土壤动物、真菌、细菌等)取食,然后到他们的捕食者的食物链,如植物残体→蚯蚓→线虫类→节肢动物→鸟类。

(3)寄生食物链(Parasitismfood chain)

由宿主(Host)和寄生物(Parasite)构成,以大型动物为食物链的起点,继之以小型动物、微型动物、细菌和病毒。后者与前者是寄生性关系,如哺乳动物或鸟类→跳蚤→原生动物→细菌→病毒。

1. 营养级(Trophiclevels)

处于食物链某一环节上的所有生物种之总和。

各营养级消费者不可能100%利用前一营养级的生物量(Biomass)。

各营养级同化率(Assimilatory coefficient)也非100%,总有一部分排泄(Excrete)出去。

各营养级生物要维持自身的活动,消耗一部分热量。

能流在通过各营养级时会急剧减少,食物链就不可能太长,营养级一般仅有四、五级,很少超过六级。

2. 生态金字塔(Ecologicalpyramids)

营养级之间的数量关系。这种数量关系可采用生物量、能量和个体数量单位表示,即:

能量金字塔(Energetic pyramids)

生物量金字塔(Biomass pyramids)

数量金字塔(Quantitative pyramids)

能量金字塔:

由各营养级所固定的总能量值之多少构成的生态金字塔,一般以相同的单位面积和单位时间内的生产者和各级消费者所积累的能量比率来构造。

生物量金字塔:

由各营养级所固定的生物量的多少来构成的生态金字塔,一般以相同的单位面积和单位时间内的生产者和各级消费者所积累的生物量比率来构造。对陆地、浅水生态系统中比较典型,因生产者是大型的,故塔基较大,金字塔较规则。

数量金字塔:

以单位面积内生产者的个体数目为塔基,以相同面积内各营养级位有机体数目构成塔身及塔顶。一般每一营养级所含有机体数目沿食物链向上递减。

数量金字塔的局限:

有时植食动物比生产者数目多,如昆虫或鸟类和树木。所以,当个体大小差别较大时,仅用个体数目多少来阐述食物链中各营养级的关系具有一定的局限性。

各金字塔之间的比较:

能量金字塔表达营养结构最全面,确切的表示了食物通过食物链的效率,永远是正塔型。

生物量金字塔过分突出大生物体的重要性,可能出现倒塔型,如湖泊或海洋生态系统。

数量金字塔过分突出小生物体的重要性,可能出现倒塔型,如森林生态系统。

因此,相对而言能量金字塔是最优的。

1. 生态效率(Ecologicalefficiency)

各种能流参数中的任何一个参数在营养级之间或营养级内部的比值,常以%表示。

能量参数:

摄取量(Intake,I):表示各生物摄取的能量。

同化量(Assimilatory amount,A):动物消化道内被吸收的能量,即消费者吸收所采食的食物能;植物光合作用所固定的日光能。

呼吸量(Respiratory capacity,R):生物在呼吸等新陈代谢和各种活动所消耗的全部能量。

生产量(Production volume,P):生物呼吸消耗后所净剩的同化能量值。P=A–R。

2. 同化效率(Assimilationefficiency)

被植物吸收的日光能中被光合作用所固定的能量比例,或被动物摄食的能量中被同化了的能量比例:

Ae=An/In

肉食动物的同化效率高于植食动物。

3. 生长效率(Growthefficiency)

组织生长效率:Pe=Pn/An。

生态生长效率:Ee=Pn/In

营养级越高,生长效率越低。

植物的生长效率>动物。

植物将光合能量大约40%呼吸,60%生长。

肉食动物同化能量大约65%用于呼吸,35%用于生长。

哺乳动物呼吸消耗的能量最多,大约占同化量的97–99%,仅有1–3%用于净生产量。

4. 消费效率(Consumeefficiency)

消费效率量度一个营养级对前一营养级的相对取食压力。

Ce=In+1/Pn

一般为20–35%,每一营养级净生产的65–75%进入碎屑食物链。

5. 利用效率(Useefficiency)

利用效率的高低,表明前一营养级的净生产量被后一营养级同化多少。

Ue=An+1/Pn

林德曼效率(Lindemann's efficiency,十分之一定律)

n+1营养级所获得的能量占n营养级所获得的能量之比:

Le=In+1/In

能量沿营养级的移动时,逐级变小,后一营养级仅是前一营养级能量的1/10左右。

1. 反馈调节

(1)反馈调节(Feedbackadjust)

当生态系统某一成分发生变化,它必然引起其他成分出现一系列相应变化,这些变化又反过来影响最初发生变化的那种成分。

(2)负反馈(Degenerativefeedback)

系统中某一成分的变化所引起的其他一系列变化,结果是抑制和减弱最初发生变化的那种成分的变化,使生态系统达到或保持平衡或稳态。

(3)正反馈(Positivefeedback)

系统中某一成分的变化所引起的其他一系列变化,反过来加速最初发生变化的成分所发生的变化,使生态系统远离平衡状态或稳态,如湖泊污染,导致鱼的数量因死亡而减少,由于鱼体腐烂,加重湖泊污染并引起更多鱼类的死亡。

2. 生态平衡

(1)生态平衡(Ecologicalequilibrium)

生态系统通过发育和调节所达到的一种稳定状态,它包括结构、功能和能量输入和输出的稳定。

(2)生态阈值(Ecologicalthreshold)

生态系统受外界干扰后,自动调节的极限。

(3)生态退化(Ecological degeneration)

①结构性失衡:

生态系统是由生产者、消费者、分解者和非生命成分四大要素构成的,通过食物链和食物网进行着物质循环、能量流动及信息传递,维持着生态系统的稳态。若四者之中的某一成分的数量发生剧烈变化或种类增失,均会给生态系统的稳态造成重大损坏,继而生态系统走向退化与衰亡。

②功能性失衡:

生态系统有四大功能,即:能量流动、物质循环和信息传递。在系统正常运行时,这三种功能均能正常发挥,而当人类干扰超过一定限度时,能量流动受阻、物质循环不畅通、传递不准确迅捷,从而生态系统失去稳态,走向崩溃与瓦解。

生态危机(Ecological crisis)

由于人类盲目活动而导致局部地区甚至整个生物圈结构和功能的失衡,从而威胁生物和人类的健康和生存。

注:囿于个人水平之限,错误在所难免。敬请批评指正!此外,本博文图片均源于网络,版权归原作者和()出版商,仅用于学术传播等非商业行为。特在此致谢!



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